Контрольные вопросы

1. Назначение, классификация генераторов, принципы их построения.

2. Генераторы гармонических сигналов: генератор на полевом транзисторе с резонансным контуром в цепи стока: схемная реализация, основные соотношения, установление амплитуды колебаний в стационарном режиме.

3. Генераторы гармонических сигналов: RC-генераторы гармонических сигналов: схемная реализация, основные соотношения, стабилизация амплитуды выходного напряжения.

4. Кварцевые генераторы: схемные реализации, их работа, роль положительной обратной связи.

5. Генераторы с внутренней обратной связью: схемная реализация, их работа, временные диаграммы.

6. Трёхточечные генераторы: схемная реализация с индуктивной и ёмкостной обратными связями, их работа, применение.

7. Генераторы прямоугольных и треугольных импульсов на операционных усилителях: схемные построения, их работа, временные диаграммы, назначение.

Раздел5. Аналого-цифровые функциональные устройства Лекция13. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода [1, 2, 5, 9, 10, 11]. Он применяется в системах передачи данных, в измерительных приборах и синтезаторах напряжения, при формировании изо­бра­жения на экране дисплеев, в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях.

Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, виду выходного сигнала, полярности выходного сигнала, элементной базе и т.д. На рис. 13.1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП со сложением токов, с делением напряжения и со сложением напряжений. В микроэлектронном исполнении применяют только первые два типа.

По виду выходного сигнала АП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока в напряжение обычно используют операционные усилители. По полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на однополярные и двухполярные.

Рис. 13.1. Классификация ЦАП

Управляющий код на входе ЦАП может быть различным: двоичным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.

При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляющего кода обычно используют источники опорного напряжения. В зависимости от вида этого источника ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП делят по основным характеристикам: количеству разрядов преобразуемого кода, быстродействию, точности преобразования, потребляемой мощности. По совокупности параметров ЦАП делят на три группы: общего применения, прецизионные (погрешность нелинейности менее 0,1%) и быстродействующие (время установления менее 100 нс).

Последовательные цап

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией. Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требует­ся высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной мо­­­дуляции (ШИМ) по рис. 13.2, а.

Рис. 13.2. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Наиболее просто организуется цифро-ана­логовое преобразо­ва­ние в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (напр­и­мер, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего тай­мера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g=t_и/Топределяется соотно­ше­нием

,

где n – разрядность преобразования, а N – преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

.

Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток – низкое быстродействие.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах.

Рас­­­­смотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для полученияn-разрядного преобразования необходимы 2ⁿ временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 13.3, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

Рис. 13.3. Схема последовательного

ЦАП на переключаемых конденсаторах

В этой схеме емкости конденсаторов С₁ и С₂ равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С₂ разряжается ключом S₄. Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда а₀. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С₁ заряжается до опорного напряжения U_оп при а₀=1 посредством замыкания ключа S₁ или разряжается до нуля при а₀=0 путем замыкания ключа S₂. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S₁, S₂ и S₄ замыкается ключ S₃, что вызывает деление заряда пополам между С₁ и С₂. В результате получаем U₁(0)=U_вых(0)=(а₀/2)U_оп .

Пока на конденсаторе С₂ сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С₁ должна быть повторена для следующего разряда а₁ входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

.

Точно так же выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для n-разрядного ЦАП выходное напряжение составит

.

Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить устройство выборки и хранения УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2nквантов, что значительно мень­ше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.